CN103259500A - 一种跟踪滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跟踪滤波电路，包括第一至第三运算放大器；第一至第三运算放大器的同相输入端同时接地；第一和第二运算放大器的反相输入端和输出端之间均并联有电容；第三运算放大器的反相输入端和输出端之间并联有第六电阻；第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的反相输入端之间串接有第二模拟电子开关和第二电阻，第二运算放大器的输出端和第三运算放大器的反相输入端之间串接有第五电阻；第一运算放大器的反相输入端连接有第一模拟电子开关以及相互串联的第三模拟电子开关和第四电阻；第一模拟电子开关的另一端连接第一电阻和第三电阻；第一电阻的另一端连接第一运算放大器的输出端，第三电阻的另一端连接第三运算放大器输出端。

Description

一种跟踪滤波电路

技术领域

本发明涉及一种跟踪滤波电路。

背景技术

跟踪滤波电路在实际中应用非常广泛，在许多测控电路中，被测信号的中心频率f₀在很宽的频带内变化，要求跟踪滤波电路在很窄的f₀±Δf_T频带内提取测量信号。在这种情况下，采用普通跟踪滤波电路无法获得所需的测量信号，而利用中心频率自动可调的跟踪滤波电路可以有效地解决这个问题。

实现跟踪滤波电路的方法有多种，如压控跟踪滤波电路、变频跟踪滤波电路等。在压控跟踪滤波电路中，压控电压与中心频率f₀之间的线性关系一般不理想，一般需要通过闭环系统将跟踪滤波电路的中心频率锁定在信号中心频率，从而实现跟踪滤波；变频跟踪滤波电路结构复杂，对噪声的抑制往往要通过晶体滤波器来实现。

在实践中，可以通过电子元器件自行设计跟踪滤波电路，也可直接在市场中购买具有跟踪滤波功能的集成芯片来实现相应的跟踪滤波功能。由于具有跟踪滤波功能的集成芯片价格较高、工作模式固定等，限制了集成芯片的应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种跟踪滤波电路，其结构简单，成本低，具有带通跟踪滤波功能，且带通中心频率处的放大倍数A与品质因素Q不随输入信号U_i(s)的角频率ω发生变化，为固定值。

实现上述目的的一种技术方案是：一种跟踪滤波电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；

所述第一运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间并联有第一电容；

所述第二运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间并联有第二电容；

所述第三运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间并联有第六电阻，其反相输入端与所述第二运算放大器的输出端之间通过第五电阻连接；其特征在于：

该跟踪滤波电路还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻、第一模拟电子开关、第二模拟电子开关和第三模拟电子开关；

所述第一模拟电子开关的一端连接所述第一运算放大器的反相输入端，另外一端同时连接所述第一电阻和所述第三电阻，所述第一电阻的另一端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第三电阻的另一端连接所述第三运算放大器的输出端；

所述第四电阻和所述第三模拟电子开关相互串联地连接在所述第一运算放大器的反相输入端，使所述第一运算放大器的反相输入端接收外来的输入信号；

所述第二电阻和所述第二模拟电子开关相互串联地连接在所述第一运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的反相输入端之间；

所述第一模拟电子开关、所述第二模拟电子开关和所述第三模拟电子开关同时接收同一控制端输出的脉宽调制信号。

进一步的，所述第三模拟电子开关连接在所述第一运算放大器的反相输入端。

进一步的，所述第四电阻连接在所述第一运算放大器的反相输入端。

进一步的，所述第二电阻连接在所述第一运算放大器的输出端，所述第二模拟电子开关连接在所述第二运算放大器的反相输入端。

进一步的，所述第二模拟电子开关连接在所述第一运算放大器的输出端，所述第二电阻连接在所述第二运算放大器的反相输入端。

进一步的，所述第五电阻和所述第六电阻的电阻值相等。

进一步的，所述第一电容和所述第二电容的电容值相等。

采用了本发明的一种跟踪滤波电路的技术方案，即，第三模拟电子开关和第四电阻串接第一运算放大器的反相输入端，使第一运算放大器的反相输入端接收外来输入信号；第一模拟电子开关连接在第一运算放大器的反相输入端，并与第一和第三电阻连接，实现第一运算放大器的反相输入端与输出端，第一运算放大器的反相输入端与第三运算放大器输出端之间的连通，第一模拟电子开关和第三模拟电子开关同时接收同一控制端输出的脉宽调制信号的技术方案。其技术效果是：本发明的一种跟踪滤波电路具有带通跟踪滤波功能，只需运算放大器、电阻和电容即可完成电路设计；本发明的一种跟踪滤波电路的输入信号的电平的取值范围仅决定于运算放大器的工作电压，本发明结构简单、设计方便。

附图说明

图1为本发明的一种跟踪滤波电路的第一实施例的结构示意图。

图2为本发明的一种跟踪滤波电路的第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

第一实施例

请参阅图1，一种跟踪滤波电路，包括第一运算放大器M1、第二运算放大器M2和第三运算放大器M3；第一模拟电子开关S1，第二模拟电子开关S2和第三模拟电子开关S3；第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅和第六电阻R₆，第一电容C₁和第二电容C₂。

第一运算放大器M1、第二运算放大器M2和第三运算放大器M3的同相输入端同时接地。

第一电容C₁并联在第一运算放大器M1的反相输入端和输出端之间。

第二电容C₂并联在第二运算放大器M2的反相输入端和输出端之间。

第六电阻R₆并联在第三运算放大器M3的反相输入端和输出端之间。

第二运算放大器M2的输出端和第三运算放大器M3的反相输入端之间通过第五电阻R₅连接。

第一模拟电子开关S1的一端连接第一运算放大器M1的反相输入端，另一端与第一电阻R₁、第三电阻R₃同时连接，其中第一电阻R₁的另一端连接第一运算放大器M1的输出端，第三电阻R₃的另一端连接第三运算放大器M3的输出端。

第二电阻R₂的一端连接第一运算放大器M1的输出端，另一端与第二模拟电子开关S2连接，第二模拟电子开关S2与第二运算放大器M2的反相输入端连接。

第三模拟电子开关S3的一端连接第一运算放大器M1的反相输入端，另一端连接第四电阻R₄。第三模拟电子开关S3闭合时，第一运算放大器M1的反相输入端通过第四电阻R₄接收外来的输入信号U_i(s)，并对输入信号U_i(s)进行积分，从第一运算放大器M1的输出端输出一个输出信号U₀(s)。

第一模拟电子开关S1，第二模拟电子开关S2和第三模拟电子开关S3外接同一个控制端，该控制端输出一个脉宽调制信号C。该脉宽调制信号C的周期为T，并且在每个所述脉宽调制信号的周期T内，第一至第三模拟电子开关S1～S3处于闭合状态的时间为T_T。

第二实施例

请参阅图2，第二实施例相比于实施例1做出了两处改变。

第一处改变在于：第二模拟电子开关S2的一端连接第一运算放大器M1的输出端，另一端与连接第二电阻R₂，第二电阻R₂与第二运算放大器M2的反相输入端连接。

第二处改变在于：第四电阻R₄的一端连接第一运算放大器M1的反相输入端，另一端连接第三模拟电子开关S3。

下面对于本发明的一种跟踪滤波电路的工作原理进行具体说明：

本发明通过在控制端输入的脉宽调制信号C，控制第一至第三模拟电子开关S1～S3的通断，改变第一至第四电阻R₁～R₄的等效平均值R_1e～R_4e，从而改变跟踪滤波电路的输入输出特性。如图1所示，所述控制端输入周期为T的脉宽调制信号C，在一个脉宽调制信号C的周期T中，第一至第三模拟电子开关S1～S3闭合，即脉宽调制信号C为高电平的时间为T_T，T_T又称为导通宽度，为固定值，则在一个周期T内第一电阻R₁的等效平均值R_1e为：

$R_{1e}=\frac{T}{T_T}{R}_1---\left(1\right)$

为了使一个脉宽调制信号C的T内，第一电阻R₁的等效平均值R_1e是恒定的，可取脉宽调制信号C的频率为输入信号U_i(s)的频率f的n倍，一般取n≥100。则有：

$R_{1e}=\frac{T}{T_T}{R}_1=\frac{n/T_T}{n/T}{R}_1=\frac{f_T}{f}{R}_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{\mathrm{\ω}}{R}_1---\left(2\right)$

式中，ω为输入信号U_i(s)的角频率，ω_T为全导通角频率。f_T为全导通频率。全导通频率f_T和全导通角频率ω_T都是定值。全导通的频率f_T和全导通角频率ω_T，决定了本发明的一种跟踪滤波电路所能工作的频率范围。

此时，脉宽调制信号C的周期

其中导通时间，即导通宽度为 $T_T=\frac{1}{n{f}_T}.$

当脉宽调制信号C的周期T等于导通宽度T_T时，R_1e即为R₁。

类似地，第二至第四电阻R₂～R₄的等效平均值R_2e～R_4e依次为：

$R_{2e}=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{\mathrm{\ω}}{R}_2,$ $R_{3e}=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{\mathrm{\ω}}{R}_3,$ $R_{4e}=\frac{{\mathrm{\ω}}_T}{\mathrm{\ω}}{R}_4---\left(3\right)$

本发明的一种跟踪滤波电路的输入输出特性为：

$H\left(s\right)=\frac{U_i\left(s\right)}{U_0\left(s\right)}=-\frac{\frac{1}{R_{4e}{C}_1}s}{s^2+\frac{1}{R_{1e}{C}_1}s+\frac{1}{R_{2e}{R}_{3e}{C}_1{C}_2}}=-\frac{D{\mathrm{\ω}}_{0}s}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{Q}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(4\right)$

其中输出特性H(s)、输入信号U_i(s)以及输出信号U₀(s)都是关于时间s的周期函数，D称为比例系数。

由式(4)可知，本发明的一种跟踪滤波电路具有带通特性，其中心角频率ω₀为：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{1}{R_{2e}{R}_{3e}{C}_1{C}_2}}=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_T}\sqrt{\frac{1}{R_2{R}_3{C}_1{C}_2}}---\left(5\right)$

式(4)中Q为品质因数，即：

$Q=\sqrt{\frac{R_{1e}^2{C}_1}{R_{2e}{R}_{3e}{C}_2}}=\sqrt{\frac{R_1^2{C}_1}{R_2{R}_3{C}_2}}---\left(6\right)$

假设C₁=C₂，中心角频率ω₀处的放大倍数A：

$A=\mathrm{DQ}=\sqrt{\frac{R_{2e}{R}_{3e}{C}_2}{R_{4e}^2{C}_1}}\×\sqrt{\frac{R_{1e}^2{C}_1}{R_{2e}{R}_{3e}{C}_2}}=\frac{R_1}{R_4}---\left(7\right)$

如果取全导通角频率则有中心角频率ω₀、品质因数Q、中心角频率ω₀处的放大倍数A分别为：

ω₀＝ω， $Q=\sqrt{\frac{R_1^2{C}_1}{R_2{R}_3{C}_2}},$ $A=\frac{R_1}{R_4}---\left(8\right)$

因此，本发明的一种跟踪滤波电路在中心角频率ω₀处的放大倍数A与品质因素Q不随输入信号U_i(s)的角频率ω发生变化，为固定值，因此本发明的一种跟踪滤波电路具有带通跟踪滤波的功能。

设计举例：

若要求本发明的一种跟踪滤波电路能在1kHz以下工作，并要求在中心角频率ω₀、随输入信号U_i(s)的频率f变化，品质因数Q为10，中心角频率ω₀处的放大倍数A为1。

取f_T=1kHz，n=100，则

ω_T=2πf_T=6.28×10³rad/s，脉宽调制信号C的导通宽度T_T为10μs，为固定值。

选定第一至第三运算放大器M1～M3均为AD711型运算放大器，取C₁=C₂=0.01μF，由

可取R₂=R₃=15.92kΩ，取1%精密电阻标称值15.8kΩ。由Q=10，R₁=159.2kΩ，取1%精密电阻标称值158kΩ。由A=1，取R₄为1%精密电阻标称值158kΩ。另外，取R₅和R₆均为10kΩ。

脉宽调制信号C的周期

若要对50Hz的正弦波进行滤波，则脉宽调制信号C的周期为200μs。

本发明的一种跟踪滤波电路技术效果是：具有带通跟踪功能，且只需普通运算放大器、电阻和电容即可完成电路设计；其输入信号U_i(s)的电平的取值范围仅决定于运算放大器的工作电压，如运算放大器的工作电压为±15V，则输入信号U_i(s)的取值范围接近±15V。本发明结构简单、设计方便。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种跟踪滤波电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；

所述第一运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间并联有第一电容；

所述第二运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间并联有第二电容；

所述第三运算放大器，其同相输入端接地，其反相输入端与其输出端之间并联有第六电阻，其反相输入端与所述第二运算放大器的输出端之间通过第五电阻连接；其特征在于：

该跟踪滤波电路还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻、第一模拟电子开关、第二模拟电子开关和第三模拟电子开关；

所述第一模拟电子开关的一端连接所述第一运算放大器的反相输入端，另外一端同时连接所述第一电阻和所述第三电阻，所述第一电阻的另一端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第三电阻的另一端连接所述第三运算放大器的输出端；

所述第四电阻和所述第三模拟电子开关相互串联地连接在所述第一运算放大器的反相输入端，使所述第一运算放大器的反相输入端接收外来的输入信号；

所述第二电阻和所述第二模拟电子开关相互串联地连接在所述第一运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的反相输入端之间；

所述第一模拟电子开关、所述第二模拟电子开关和所述第三模拟电子开关同时接收同一控制端输出的脉宽调制信号。

2.根据权利要求1所述的一种跟踪滤波电路，其特征在于：所述第三模拟电子开关连接在所述第一运算放大器的反相输入端。

3.根据权利要求1所述的一种跟踪滤波电路，其特征在于：所述第四电阻连接在所述第一运算放大器的反相输入端。

4.根据权利要求1所述的一种跟踪滤波电路，其特征在于：所述第二电阻连接在所述第一运算放大器的输出端，所述第二模拟电子开关连接在所述第二运算放大器的反相输入端。

5.根据权利要求1所述的一种跟踪滤波电路，其特征在于：所述第二模拟电子开关连接在所述第一运算放大器的输出端，所述第二电阻连接在所述第二运算放大器的反相输入端。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种跟踪滤波电路，其特征在于：所述第五电阻和所述第六电阻的电阻值相等。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种跟踪滤波电路，其特征在于：所述第一电容和所述第二电容的电容值相等。

Images